落石冲击荷载作用下加筋土拦石墙应力分布及扩散研究

作     者：张越臣 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卢谅

授予年度：2021年

学科分类：081803[工学-地质工程] 081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：落石冲击 加筋土 拦石墙 应力分布 扩散 

摘      要：在我国绝大部分地区,落石灾害是最为常见的自然灾害之一,其具有突然性、随机性、规模小和破坏强的特点,对其全面有效地治理比较困难。落石灾害一旦发生会危及生命,造成极大的财产损失。因此,寻找有效的落石灾害治理方法显得尤为重要。加筋土拦石墙凭借其拦石效果好、抗冲击能力强、经济性强、易修复等优良特点,开始被广泛应用于拦石工程中。现阶段对于落石冲击荷载作用下加筋土拦石墙的研究主要停留在试验现象定性分析阶段,对于其内部冲击应力分布规律及扩散机理研究尚少。因此,为指导加筋土拦石墙结构设计和工程应用,开展落石冲击荷载作用下加筋土拦石墙应力分布和扩散研究十分必要。本文设计并开展了加筋土拦石墙和板桩拦石墙抗冲击模型试验、并结合理论分析和数值模拟,探究了落石冲击荷载下加筋土拦石墙的应力分布及扩散机理。主要内容包括:（1）设计并开展落石冲击作用下加筋土拦石墙和板桩拦石墙大型模型试验。通过不同冲击能量的落石冲击拦石墙试验,得到拦石墙内部冲击应力分布规律、加速度响应及墙面位移变形规律。结合板桩拦石墙试验结果,得出了加筋土拦石墙应力扩散模式,分析了应力分布规律和扩散的三个演变阶段。并且对比分析了加筋土拦石墙和板桩拦石墙冲击应力分布及扩散机制的异同。试验结果表明,根据拦石墙内部峰值应力变化规律将拦石墙在冲击荷载作用下的应力分布规律大致分为三个阶段:（1）冲击密实;（2）裂隙发育;（3）破坏。试验研究表明加筋土拦石墙在落石冲击下应力分布及扩散机制和抗冲击性能均优于板桩拦石墙。（2）进行了落石冲击作用下加筋土拦石墙内部应力分布规律理论分析。目前基于Hertz弹性碰撞理论是计算落石冲击力的有效计算方法之一,但其参数一般适用于刚性弹性碰撞体。本文基于能量法对刚性拦石墙所受冲击力公式进行修正,使其适用于具有柔性特征的加筋土结构。并结合能量法修正的Hertz接触理论冲击力公式和Boussinesq方程,进一步研究了加筋土拦石墙内部冲击应力分布规律,总结得出加筋土拦石墙内部应力分布及扩散机理。与试验结果对比得出,加筋土拦石墙应力扩散效果较为明显,呈波纹形扩散模式,证明加筋土拦石墙具有较强的柔性特征,其抗冲击性能优于板桩拦石墙。（3）通过开展落石冲击荷载作用下加筋土拦石墙和板桩拦石墙数值模拟研究,探究及分析加筋土拦石墙内部冲击位移规律和应力分布及扩散规律。通过改变加筋土拦石墙受不同落点、不同能量、不同冲击角度下落石冲击情况进行数值模拟,对不同影响因素下加筋土拦石墙内部位移和应力分布影响规律开展研究。数值模拟结果表明,与板桩拦石墙相比,加筋土拦石墙应力扩散效果较好,应力集中现象不明显,冲击应力被筋材扩散到结构整体,其冲击应力衰减速率小于板桩拦石墙,抗冲击性能优于板桩拦石墙。影响因素分析表明,冲击角度、冲击落点位置和能量对加筋土拦石墙冲击位移规律和应力分布及扩散产生一定影响。